miniaturadeimagen | derecha | Escáner de resonancia magnética. La física de la imagen por resonancia magnética (IRM) se refiere a las consideraciones físicas fundamentales de las técnicas de IRM y a los aspectos tecnológicos de los dispositivos de IRM. La resonancia magnética es una técnica de imagen médica que se utiliza sobre todo en radiología y medicina nuclear para investigar la anatomía y fisiología del cuerpo y detectar patologías como tumores, inflamaciones, afecciones neurológicas como el ictus, trastornos musculares y articulares y anomalías en el corazón y los vasos sanguíneos, entre otras. Se pueden inyectar agentes de contraste por vía intravenosa o en una articulación para mejorar la imagen y facilitar el diagnóstico. A diferencia del TAC y los rayos X, la RMN no utiliza radiación ionizante y es, por tanto, un procedimiento seguro y adecuado para el diagnóstico en niños y carreras repetidas. Hoy en día, los pacientes con implantes metálicos específicos no ferromagnéticos, implantes cocleares y marcapasos cardíacos también pueden someterse a una RMN a pesar de los efectos de los fuertes campos magnéticos. Esto no se aplica a los dispositivos más antiguos, los detalles para los profesionales médicos son proporcionados por el fabricante del dispositivo.
Ciertos núcleos atómicos son capaces de absorber y emitir energía de radiofrecuencia cuando se colocan en un campo magnético externo. En la resonancia magnética clínica y de investigación, los átomos de hidrógeno se utilizan con mayor frecuencia para generar una señal de radiofrecuencia detectable que es recibida por antenas situadas muy cerca de la anatomía que se examina. Los átomos de hidrógeno abundan de forma natural en las personas y otros organismos biológicos, especialmente en el agua y la grasa. Por esta razón, la mayoría de las exploraciones por RMN trazan esencialmente la ubicación del agua y la grasa en el cuerpo. Los pulsos de ondas de radio excitan la transición de energía del espín nuclear y los gradientes del campo magnético localizan la señal en el espacio. Al variar los parámetros de la secuencia de pulsos, se pueden generar diferentes contrastes entre los tejidos en función de las propiedades de relajación de los átomos de hidrógeno que contienen.
Cuando están dentro del campo magnético (B0) del escáner, los momentos magnéticos de los protones se alinean para ser paralelos o antiparalelos a la dirección del campo. Aunque cada protón individual sólo puede tener una de las dos alineaciones, el conjunto de protones parece comportarse como si pudiera tener cualquier alineación. La mayoría de los protones se alinean en paralelo a B0, ya que se trata de un estado de energía más bajo. A continuación, se aplica un pulso de radiofrecuencia, que puede excitar a los protones de la alineación paralela a la antiparalela, sólo esta última es relevante para el resto de la discusión. En respuesta a la fuerza que los devuelve a su orientación de equilibrio, los protones experimentan un movimiento de rotación (precesión), muy parecido al de una rueda que gira bajo el efecto de la gravedad. Los protones volverán al estado de baja energía por el proceso de relajación de la red de espín. Esto aparece como un flujo magnético, que produce un voltaje cambiante en las bobinas del receptor para dar la señal. La frecuencia a la que resuena un protón o un grupo de protones en un voxel depende de la fuerza del campo magnético local alrededor del protón o del grupo de protones, un campo más fuerte corresponde a una mayor diferencia de energía y a fotones de mayor frecuencia. Mediante la aplicación de campos magnéticos adicionales (gradientes) que varían linealmente en el espacio, se pueden seleccionar cortes específicos para la obtención de imágenes, y se obtiene una imagen tomando la transformada de Fourier bidimensional de las frecuencias espaciales de la señal (espacio k). Debido a la fuerza magnética de Lorentz de B0 sobre la corriente que fluye en las bobinas de gradiente, éstas tratarán de moverse produciendo fuertes sonidos de golpeteo, para los que los pacientes necesitan protección auditiva.
Historia
El escáner de resonancia magnética fue desarrollado entre 1975 y 1977 en la Universidad de Nottingham por el profesor Raymond Andrew FRS FRSE a raíz de sus investigaciones sobre la resonancia magnética nuclear. El escáner de cuerpo entero se creó en 1978.
Magnetismo nuclear
Las partículas subatómicas tienen la propiedad mecánica cuántica del espín. Algunos núcleos, como el 1H (protones), el 2H, el 3He, el 23Na o el 31P, tienen un espín distinto de cero y, por tanto, un momento magnético. En el caso de los llamados núcleos de espín-1⁄2, como el 1H, existen dos estados de espín, a veces denominados arriba y abajo. Los núcleos como el 12C no tienen neutrones ni protones no apareados, y no tienen espín neto; sin embargo, el isótopo 13C sí lo tiene.
Cuando estos espines se colocan en un fuerte campo magnético externo, precesan alrededor de un eje a lo largo de la dirección del campo. Los protones se alinean en dos estados propios de energía (efecto Zeeman): uno de baja energía y otro de alta energía, que están separados por una energía de separación muy pequeña.
Resonancia y relajación
La mecánica cuántica es necesaria para modelar con precisión el comportamiento de un solo protón, sin embargo, la mecánica clásica puede utilizarse para describir adecuadamente el comportamiento del conjunto de protones. Al igual que con otras partículas de espín {\displaystyle 1/2}1/2, cuando se mide el espín de un solo protón sólo puede tener uno de los dos resultados comúnmente llamados paralelo y antiparalelo. Cuando hablamos del estado de un protón o protones nos referimos a la función de onda de ese protón que es una combinación lineal de los estados paralelo y antiparalelo.
En presencia del campo magnético, B0, los protones parecerán precesar a la frecuencia de Larmor determinada por la relación giro-magnética de la partícula y la intensidad del campo. Los campos estáticos utilizados más comúnmente en la RMN provocan una precesión que corresponde a un fotón de radiofrecuencia (RF).
La magnetización longitudinal neta en equilibrio termodinámico se debe a un pequeño exceso de protones en el estado de menor energía. Esto da lugar a una polarización neta que es paralela al campo externo. La aplicación de un pulso de RF puede inclinar este vector de polarización neta hacia un lado (con, por ejemplo, un pulso de 90°), o incluso invertirlo (con un pulso de 180°). Los protones entrarán en fase con el pulso de RF y, por tanto, entre sí.
La recuperación de la magnetización longitudinal se denomina relajación longitudinal o T1 y ocurre exponencialmente con una constante de tiempo T1. La pérdida de coherencia de fase en el plano transversal se denomina relajación transversal o T2. T1 se asocia así a la entalpía del sistema de espín, o al número de núcleos con espín paralelo frente a los antiparalelos. El T2, en cambio, se asocia a la entropía del sistema, o al número de núcleos en fase.
Cuando el pulso de radiofrecuencia se apaga, la componente vectorial transversal produce un campo magnético oscilante que induce una pequeña corriente en la bobina del receptor. Esta señal se denomina decaimiento por inducción libre (FID). En un experimento de resonancia magnética nuclear idealizado, la FID decae aproximadamente de forma exponencial con una constante de tiempo T2. Sin embargo, en la práctica de la RMN existen pequeñas diferencias en el campo magnético estático en diferentes ubicaciones espaciales ("inhomogeneidades") que hacen que la frecuencia de Larmor varíe en el cuerpo. Esto crea una interferencia destructiva que acorta la FID. La constante de tiempo para el decaimiento observado del FID se denomina tiempo de relajación T* 2 y siempre es más corta que T2. Al mismo tiempo, la magnetización longitudinal comienza a recuperarse exponencialmente con una constante de tiempo T1 que es mucho mayor que T2 (véase más adelante).
En la RMN, el campo magnético estático se aumenta mediante una bobina de gradiente de campo para que varíe a lo largo de la región escaneada, de modo que las diferentes localizaciones espaciales se asocian con diferentes frecuencias de precesión. Sólo las regiones en las que el campo es tal que las frecuencias de precesión coinciden con la frecuencia de RF experimentarán excitación. Por lo general, estos gradientes de campo se modulan para barrer a través de la región que se va a escanear, y es la variedad casi infinita de secuencias de pulsos de RF y gradientes lo que da a la RM su versatilidad. El cambio de gradiente de campo difunde la señal FID que responde en el dominio de la frecuencia, pero ésta puede recuperarse y medirse mediante un gradiente de reenfoque (para crear el llamado "eco de gradiente"), o mediante un pulso de radiofrecuencia (para crear el llamado "eco de espín"), o en el postprocesamiento digital de la señal difundida. Todo el proceso puede repetirse cuando se ha producido cierta relajación en T1 y se ha restablecido más o menos el equilibrio térmico de los espines. El tiempo de repetición (TR) es el tiempo entre dos excitaciones sucesivas del mismo corte.
Normalmente, en los tejidos blandos T1 es de alrededor de un segundo, mientras que T2 y T* 2 son de unas decenas de milisegundos. Sin embargo, estos valores pueden variar mucho entre diferentes tejidos, así como entre diferentes campos magnéticos externos. Este comportamiento es uno de los factores que confieren a la IRM su enorme contraste con los tejidos blandos.
Los agentes de contraste de la RM, como los que contienen gadolinio (III), actúan alterando (acortando) los parámetros de relajación, especialmente el T1.
Imagen
Esquemas de imagen
Se han ideado varios esquemas para combinar los gradientes de campo y la excitación por radiofrecuencia para crear una imagen:
Reconstrucción 2D o 3D a partir de proyecciones, como en la tomografía computarizada. Construcción de la imagen punto por punto o línea por línea. Gradientes en el campo de radiofrecuencia en lugar del campo estático. Aunque cada uno de estos esquemas se utiliza ocasionalmente en aplicaciones especializadas, la mayoría de las imágenes de RM actuales se crean mediante la técnica de transformada de Fourier bidimensional (2DFT) con selección de cortes, o mediante la técnica de transformada de Fourier tridimensional (3DFT). Otro nombre para la 2DFT es spin-warp. Lo que sigue es una descripción de la técnica 2DFT con selección de cortes.
La técnica 3DFT es bastante similar, salvo que no hay selección de cortes y la codificación de fase se realiza en dos direcciones distintas.
Imagen ecoplanar
Otro esquema que se utiliza a veces, especialmente en la exploración del cerebro o cuando se necesitan imágenes muy rápidamente, es el denominado imagen ecoplanar (EPI): En este caso, cada excitación de RF va seguida de un tren de ecos de gradiente con diferente codificación espacial. La EPI multiplexada es aún más rápida, por ejemplo, para la RMNf de todo el cerebro o la RMN de difusión.
Contraste de imagen y mejora del contraste
El contraste de la imagen se crea por las diferencias en la fuerza de la señal de RMN recuperada de diferentes lugares dentro de la muestra. Esto depende de la densidad relativa de los núcleos excitados (normalmente protones de agua), de las diferencias en los tiempos de relajación (T1, T2 y T*